論鍋爐、壓力容器和管道焊接技術

顧其庚　楊成

隨著鍋爐、壓力容器和管道工作參數的大幅度提高及應用領域的不斷擴展，對焊接技術提出了愈來愈高的要求。所選用的焊接方法、焊接工藝、焊接材料和焊接設備首先應保證焊接接頭的高質量，同時必須滿足高效、低耗、低污染的要求。因此，在這一領域內，焊接工作者始終面臨復雜而艱巨的技術難題，要求不斷尋求最佳的解決方案。

鍋爐、壓力容器和管道均為全焊結構，焊接工作量相當大，質量要求十分高。焊接工作者總是在不斷探索優質、高效、經濟的焊接方法，并取得了引人注目的進步。

一、鍋爐膜式水冷壁管屏雙面脈沖MAG自動焊接生產線

為提高鍋爐熱效率，節省材料費用，大型電站鍋爐式水冷壁管屏均采用光管+扁鋼組焊而成。這種部件的外形尺寸與鍋爐的容量成正比。一臺600MW電站鍋爐膜式水冷壁管屏的拼接縫總長已超過萬米。因此必須采用高效的焊接方法。在上世紀90年代以前，國內外鍋爐爐制造廠大多數采用多頭（6～8頭）埋弧自動焊。在多年的實際生產中發現，這種埋弧焊方法存在一致命的缺點，即埋弧焊只能從單面焊接，管屏焊后不可避免會產生嚴重的撓曲變形。管屏長度愈長，變形愈大，必須經費工的校正工序。不僅提高了生產成本，而且延長了成產周期。因此必須尋求一種更合理的焊接方法。

上世紀80年代后期，日本三菱重工率先開發膜式水冷壁管屏雙面脈沖MAG自動焊新焊接方法及焊接設備，并成功地應用于焊接生產。這種焊接方法在日本俗稱MPM法，其特點是多個MAG焊焊頭從管屏的正反兩面同時進行焊接。焊接過程中，正反兩面焊縫的焊接變形相互抵消。管屏焊接后基本上無撓曲變形。這是一項重大的技術突破。經濟效益顯著。數年后哈爾濱鍋爐廠最先從日本三菱公司引進了這項先進技術和裝備，并在鍋爐膜式壁管屏拼焊生產中得到成功的應用。之后，逐步在我國各大鍋爐制造廠推廣應用，至今已有十多條MPM焊接生產線正常投運。管屏MPM焊接的主要技術關鍵是必須保證正反兩面的焊縫質量，包括焊縫熔深，成形和外形尺寸基本相同。這就要求在仰焊位置的焊接采用特殊的焊接工藝—脈沖電弧MAG焊（富氬混合氣體）。焊接電源和送絲系統應在管屏全長的焊接過程中產生穩定的脈沖噴射過渡。因此必須配用高性能和高質量的脈沖焊接電源和恒速送絲機。這些焊接設備的性能和質量愈高，管屏反面焊縫的質量愈穩定，合格率愈高。實際上，哈鍋廠從日本三菱重工引進的原裝機只配用了晶閘管控制的第二代脈沖MIG/MAG焊電源，送絲機也只是傳統的等速送絲機，管屏反面焊縫的合格率達不到100%，總有一定的返修量，為進一步改進膜式壁管屏MPM焊機的性能，最近國產的管屏MPM焊機配用了第三代微要控制逆變脈沖焊接電源和測速反饋的恒速送絲機，明顯提高了反面焊縫的合格率。

二、鍋爐受熱面管對接高效焊接法

鍋爐受熱面過熱器和再熱器部件管件接頭的數量和壁厚，隨著鍋爐容量的提高而成倍增加，600MW電站鍋爐熱器的最大壁厚已達13mm，接頭總數超過數千個。傳統的填充冷絲TIG焊的效率以遠遠不能滿足實際生產進展的要求，必須采用效率較高的且保接頭質量的溶焊方法。為此，哈鍋和上鍋相繼從日本引進了厚壁管細絲脈沖MIG自動焊管機，其效率比傳統的TIG焊提高3～5倍。后因經常出現根部未焊透和弧坑下垂等缺陷而改用TIG焊封底MIG焊填充和蓋面工藝，改進的焊接工藝雖然基本上解決了根部未焊透的問題，但降低了焊接效率，增加了設備的投資，同時也使操作程序復雜化。最近，上鍋，哈鍋又從國外引進了熱絲TIG自動焊管機。熱絲TIG焊的原理是將填充絲在送入焊接熔池之前由獨立的恒壓交流電源供電。電阻加熱至650～800℃高溫，這就大大加速了焊絲的熔化速度，其熔敷率接近于相同直徑的MTG焊熔敷率。另外，TIG方法良好的封底特性確保了封底焊道的熔質量，因此，熱絲TIG焊不失為小直徑壁厚管對接焊優先選擇的一種焊接方法。然而不應當由此全面否定脈沖MIG焊在小直徑壁厚管對接中應用的可行性。曾通過大量的試驗查明，在厚壁管MIG焊對接接頭中，根部末焊透90%以上位于超弧段，而弧坑下垂起因于連續多層焊時熔池金屬熱量積聚導致過熱。如將焊接電源電弧的功率作精確的控制，則完全可以消除上述缺陷的形成。但由于引進的MIG焊自動焊管機原配的焊接電源為晶閘管脈沖電源，無法實現電弧功率的程序控制如改用當代最先進的全數字控制逆變脈沖焊接電源或波形控制脈沖焊接電源（計算機軟件控制小），則可容易地按焊接工藝要求，對焊接電弧的功率作精確的控制，確保接頭的焊接質量。

三、厚壁容器縱環縫的窄間隙埋弧焊

厚壁容器對接縫的窄間隙埋弧焊是一種優質、高效、低耗的焊接方法。自1985年哈鍋從瑞典ESAB公司引進第一臺窄間隙埋弧焊系統以來，窄間隙埋弧焊已在我國各大鍋爐、化工機械和重型機械等制造廠推廣使用，近20年的實際生產經驗表明，窄間隙埋弧焊確實是厚壁容器對接焊的最佳選擇。

為進一步提高窄間隙埋弧焊的效率，國內外推出串列電弧雙絲窄隙埋弧焊工藝與設備，但至今未得到普遍推廣應用。這不僅是因為增加了操作的難度，更主要的是交流電弧的焊道成形欠佳，不利于脫渣，容易引起焊縫夾渣。

四、大直徑厚壁管生產中的高效焊接法

隨著輸送管線工作參數不斷提升，大直徑厚壁管的需求量急劇增加，制造這類管材量經濟的方法是將鋼板壓制成形，并以1條或2條縱縫組焊而成。由于厚壁管焊接工作量相當大，為提高鋼管的產量，通常采用3絲，4絲或5絲串列電弧高速埋弧焊。5絲埋弧焊焊接16mm厚壁管外縱縫的最高焊接速度可達156m/h，焊接38mm厚壁管外縱縫的最高焊接速度可達100mm/h.

在我國鍋爐、壓力容器和管道制造行業中，各大中型企業的焊接機械化和自動化程度相對較高，像哈鍋，上鍋這樣的企業已達到80%以上。不過，在國際上對焊接機械化和自動化作了重新定義。焊接機械化是指焊接機頭的運動和焊絲的給送由機械完成，焊接過程中焊頭相對于接縫中心位置和焊絲離焊縫表面的距離仍須由焊接操作工監視和手工調整。焊接自動化是指焊接過程自啟動至結束全部由焊機的執行自動完成。無需操作工作任何調整，即焊接過程中焊頭的位置的修正和各焊接參數的調整是通過焊機的自適應控制系統實現的。而自適應控制系統通常由高靈敏傳感器，人工智能軟件、信息處理器和快速反應的精密執行機構等組成。按照上述標準來衡量，我國鍋爐，壓力容器和管道焊接的自動化率是相當低的。極大多數僅實現了焊接生產的機械化。因此，為加速本行業焊接生產現代化的進程，增強企業的核心競爭力，應盡快提高焊接自動化的程度。

通過不懈的努力已在許多關鍵技術上取得重大突破，并在實際生產中得到成功的應用，取得了可觀的經濟效益，使鍋爐、壓力容器和管道的焊接技術達到了新的發展水平。